Клетка – это наше всё, основа жизни на планете, главный стройматериал любого живого существа. Исследователи изучают клетки со времени их открытия английским естествоиспытателем Робертом Гуком в XVII веке, но до полного познания этой темы ещё далеко. В частности, многое остаётся непонятным в функционировании такой части клетки, как мембрана, а особенно в процессе её деления. Одно из таких белых пятен, связанное с тем, что происходит при делении клеточной мембраны, недавно закрыл коллектив учёных из России, Испании, Индии и США. Результаты, опубликованные в престижном Science, помогут пролить свет на природу сложных заболеваний, например шизофрении и болезни Альцгеймера.

Влияние на организм столь маленькой, различимой лишь с помощью микроскопа структуры клетки – мембраны, отделяющей содержимое клетки от внешней среды и выполняющей ещё много разных функций, невероятно велико. Кроме внешней стенки клетки, мембрана образует большинство клеточных органелл, транспортных пузырьков и так далее. Один из важнейших методов, который мембрана задействует при выполнении большинства своих ролей, – деление. Этот процесс, в частности, лежит в основе эндоцитоза – поглощения клеткой веществ из окружающей среды, которые сами не могут просочиться через её мембрану; митоза и мейоза, формирования внутриклеточной транспортной системы и образования вирусных частиц. Если же с делением мембраны что-то патологически не так, то это наряду с другими причинами может привести к развитию таких недугов, как шизофрения, болезнь Шарко–Мари–Тута, мальадсорбция. Кроме того, без деления мембран не может происходить формирование оболочечных вирусов (ВИЧ, грипп, гепатит) в заражённой клетке. Авторы исследования, о котором пойдёт речь в этой статье, считают, что прояснение молекулярных механизмов, лежащих в основе деления мембран, позволит как лечить нейродегенеративные заболевания, вызванные нарушением этого процесса, так и вести поиски противовирусных препаратов.

Впрочем, пока у науки нет точного ответа на вопросы о том, что именно происходит при делении клеточной мембраны и как осуществляется регуляция этого деления. Коллектив учёных под руководством Вадима Фролова – нашего соотечественника, выпускника МФТИ, заведующего лабораторией наномеханики мембран в Университете Страны Басков в Бильбао (Испания), совместно с научными сотрудниками из лаборатории биоэлектрохимии Института физической химии им. А.Н. Фрумкина исследовал один из белков, отвечающий за деление мембраны, – динамин. Этот белок играет важную роль в процессах клеточных взаимодействий, передачи нервного импульса между нейронами и эндоцитозе, а нарушения в его работе способствуют возникновению различных нервных и мышечных заболеваний. Про него ещё можно сказать, что это один из самых неуловимых для науки белков: первые работы, посвящённые его активности, появились ещё в конце 80-х годов прошлого века, однако однозначно установить, как работает его молекулярный механизм, не удавалось более трёх десятков лет.

«Всё это время шли интенсивные дискуссии, и хочется верить, что нам с коллегами удалось поставить в них точку: мы впервые смогли зарегистрировать активность одиночных машин деления динамина и охарактеризовать их размер, кинетику и принцип работы», – рассказывает корреспонденту STRF.ru один из авторов исследования, сотрудник лаборатории биоэлектрохимии ИФХЭ РАН Павел Башкиров.

Сделать это было сложно прежде всего потому, что сам процесс деления мембраны очень быстрый. Кроме того, белковые машины, которые его осуществляют, имеют малый размер и живут недолго, а ведь нужно успеть всё это зафиксировать.

«Особенность нашего подхода заключается в том, что для регистрации активности таких наномашин деления мы использовали мембранную нанотрубку с диаметром 10 нм в качестве модели мембранного перешейка, – поясняет Павел. – Длину мембранной нанотрубки мы уменьшали до 80 нм, что позволило детектировать малые изменения её геометрии – вплоть до формирования одиночных белковых структур на поверхности мембранной нанотрубки, как мы убедительно показали в нашей работе. Более того, мы можем измерять упругие свойства мембраны нанотрубки и, таким образом, измерять усилия, которые развивает белок в процессе деформирования мембраны».

На примере динамина учёным удалось показать, что многие белки, осуществляющие структурные перестройки мембран, могут иметь общий каталитический принцип работы. Это очень важно, поскольку если принцип работы таких белков одинаков, то рано или поздно будут найдены универсальные методы регуляции процессов структурных перестроек мембран, что может быть полезным при лечении ряда заболеваний, о которых говорилось выше.

«Ну и главное: если окажется, что такие белки действительно имеют схожий принцип работы, это принесёт нам как минимум эстетическое удовольствие, ибо будет демонстрировать, что в процессе эволюции природой был разработан простой и элегантный метод решения задач, связанных со слиянием и делением мембран в клетке», – заключает Павел Башкиров.

Сравнение активности нормальных белков с активностью их мутантных форм (виновников ряда нейродегенративных заболеваний – шизофрении, болезни Альцгеймера и т.д.) даст возможность определить, какая именно функция белка, ответственного за морфогенез мембран, не выполняется или выполняется неверно и в каком направлении следует искать пути регуляции данных патологических нарушений.